ΨΥΞΗ - ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ K.Κίττας και Θ. Μπαρτζάνας

ΨΥΞΗ - ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ K.Κίττας και Θ. Μπαρτζάνας Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας, Τµήµα Γεωπονίας Φυτικής και Ζωικής Παραγωγής Οδός Φυτόκου, 38446, Ν. Ιωνία Μαγνησίας ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται οι κυριότερες τεχνικές ελέγχου των υπερθερµάνσεων στις γεωργικές εγκαταστάσεις και πιό συγκεκριµένα των θερµοκηπίων που λόγω κατασκευής (διαφανή υλικά κάλυψης) αντιµετωπίζουν τα µεγαλύτερα προβλήµατα. Αρχικά περιγράφονται, µε την βοήθεια του ενεργειακού ισοζυγίου του θερµοκηπίου, οι παράγοντες που οδηγούν σε θερµοκρασιακές ανυψώσεις υπό κάλυψη και επισηµαίνονται οι τρόποι µείωσης των εσωτερικών θερµοκρασιών. Στην συνέχεια αναλύονται: (1) Οι αρχές λειτουργίας, ο εξοπλισµός και οι µέθοδοι υπολογισµού των συστηµάτων αερισµού (φυσικού και δυναµικού) των θερµοκηπίων. (2) Οι αρχές λειτουργίας και τα συστήµατα δροσισµού των θερµοκηπίων (ανεµιστήρες + βρεγµένη παρειά, υδρονέφωση). (3) τα συστήµατα σκίασης και η αποτελεσµατικότητά τους. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι σηµαντικότερες γεωργικές εγκαταστάσεις είναι οι κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις (βουστάσια, χοιροστάσια κ.λ.π.), οι αποθήκες και τα θερµοκήπια. Τα αγροτικά κτίρια εκ κατασκευής τροποποιούν το εξωτερικό περιβάλλον και δηµιουργούν συνθήκες που δεν είναι απαραίτητα ικανοποιητικές για τους οργανισµούς που στεγάζονται σε αυτά. Αυτό σηµαίνει ότι η ρύθµιση του εσωτερικού περιβάλλοντος είναι συχνά αναγκαία σε όλες σχεδόν τις γεωργικές εγκαταστάσεις. Οι κυριότεροι παράγοντες που επιδρούν άµεσα στα ζώα και τα φυτά είναι η θερµοκρασία και υγρασία του αέρα, η ταχύτητα του αέρα, ο φωτοπεριοδισµός, και η θερµική ακτινοβολία. Από το σύνολο αυτών των παραµέτρων η θερµοκρασία και υγρασία είναι οι πρωταρχικοί παράγοντες στην ανάπτυξη και παραγωγή οργανισµών σε γεωργικές κατασκευές (ζώα φυτά) και ο βέλτιστος έλεγχος τους είναι αναγκαίος. Το πρόβληµα των χαµηλών θερµοκρασιών κατά την διάρκεια του χειµώνα µπορεί να αντιµετωπιστεί µε θέρµανση των γεωργικών εγκαταστάσεων στις κρίσιµες περιόδους. Το πρόβληµα δεν είναι τεχνικό, καθόσον είναι σχετικά εύκολο να

2 θερµανθεί ένα αγροτικό κτίριο, αλλά οικονοµικό αφού το κόστος επένδυσης αλλά και τα λειτουργικά έξοδα είναι υψηλά. εν συµβαίνει όµως το ίδιο και κατά τη θερµή περίοδο του έτους (η οποία στην Ελλάδα διαρκεί περίπου 6 µήνες), αφού ο έλεγχος των υπερθερµάνσεων την περίοδο αυτή είναι δύσκολος. Το πρόβληµα είναι ιδιαίτερα έντονο στα θερµοκήπια κυρίως λόγω του διαφανούς υλικού κάλυψης µε το οποίο είναι κατακευασµένα. Ως εκ τούτου η ανάλυση της ψύξης κλιµατισµού των γεωργικών εγκαταστάσεων θα γίνει µε βάση τα θερµοκήπια. Τα θερµοκήπια είναι αγροτικά κτίρια που επιτρέπουν την αποµόνωση ενός καλλιεργηµένου τµήµατος γης µε την βοήθεια ενός διαφανούς στην ηλιακή ακτινοβολία υλικού κάλυψης, σε αντίθεση µε τις κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις οι οποίες είναι κατασκευασµένες από αδιαφανείς επιφάνειες. Εκ κατασκευής λοιπόν το θερµοκήπιο αποτελεί ένα ηλιακό συλλέκτη ο οποίος µε τον συνδυασµό της παγίδευσης της ηλιακής ακτινοβολίας και του περιορισµού των ανταλλαγών θερµότητας µε συναγωγή οδηγεί σε θερµοκρασιακές ανυψώσεις στο εσωτερικό του θερµοκηπίου οι οποίες από τους καλλιεργητές να σταµατούν τις καλλιέργειες από τις πρώτες κιόλας ζέστες, ή να τις συνεχίζουν µε συνθήκες, όµως, που δεν ευνοούν την παραγωγή προϊόντων ποιότητας. Το δυναµικό παραγωγής καλλιέργειας τοµάτας σε χώρες της Μεσογειακής λεκάνης κατά τους καλοκαιρινούς µήνες είναι 50% υψηλότερο από ότι στην Ολλανδία, (Baille, 1995). Παρόλα αυτά δεν είναι δυνατό να επιτύχουµε ικανοποιητικά επίπεδα παραγωγής και ποιότητας στα θερµοκήπια των Μεσογειακών χωρών κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, όταν στην Βόρειο Ευρώπη κατά την ίδια περίοδο, επιτυγχάνονται υψηλές αποδόσεις και καλή ποιότητα. Ένας καλός κλιµατισµός κατά την θερινή περίοδο είναι λοιπόν απαραίτητος, αλλά απαιτεί επενδύσεις µικρότερες ή µεγαλύτερες ανάλογα µε την ποιότητα που επιθυµεί ο καλλιεργητής. Είναι προφανές ότι είναι πολύ πιο δύσκολο να ψυχθεί ένα θερµοκήπιο το καλοκαίρι από το να θερµανθεί τον χειµώνα. Η καθαρή ακτινοβολία στο θερµοκήπιο το καλοκαίρι φτάνει, στη µέγιστη τιµή, τα 500 ως 600 Wm -2 από τα οποία, αν θέλουµε να έχουµε θερµοκρασίες ανάλογες µε τις εξωτερικές, πρέπει να αφαιρεθούν 200 ως 250 Wm -2 αισθητής θερµότητας,. Η εξάλειψη αυτής της πλεονάζουσας ενέργειας δεν µπορεί να γίνει µε κλασσικά ψυκτικά µηχανήµατα που είναι πολύ ακριβά, αλλά πρέπει να γίνει µε µεθόδους όσο το δυνατόν λιγότερο

3 δαπανηρές όπως ο αερισµός, η ψύξη µε εξάτµιση, η σκίαση ή συνδυασµός περισσότερων του ενός από αυτά τα συστήµατα. ( Baille, 1988 ). Το ενεργειακό ισοζύγιο των θερµοκηπίων. Πριν αναφερθούµε στις διάφορες τεχνικές ελέγχου των υπερθερµάνσεων στα θερµοκήπια θεωρούµε χρήσιµο να δώσουµε µια απλοποιηµένη έκφραση του ισοζυγίου ενέργειας των θερµοκηπίων, η οποία περιγράφει αφενός το ενεργειακό κέρδος από την συµβολή της ηλιακής ενέργειας και αφετέρου τις διάφορες µορφές των απωλειών ενέργειας έτσι ώστε να αναλύσουµε τους µηχανισµούς θέρµανσης του εσωτερικού αέρος. Αγνοώντας την θερµική αδράνεια του εδάφους και της καλλιέργειας, το ενεργειακό ισοζύγιο του θερµοκηπίου γράφεται: R n (1-a) =β k (T i - T o )+ρ C p N ( Vol / A s ) (T i - T o ) ( 1) όπου : Τ ο, Τ i = Θερµοκρασίες του εξωτερικού και εσωτερικού αέρα, αντίστοιχα, (Κ) R n = καθαρή ακτινοβολία ( ηλιακή και θερµική ) στην επιφάνεια του θερµοκηπίου, (Wm -2 ) α = λόγος της ροής της λανθάνουσας θερµότητας προς την καθαρή ακτινοβολία (δηλαδή η εξατµισοδιαπνοή των επιφανειών φυτού - εδάφους ). Ο όρος (1-α) R n είναι κατά συνέπεια το µέρος της ενέργειας που απορροφάται από την επιφάνεια και µετατρέπεται σε αισθητή θερµότητα η οποία και θα αυξήσει την εσωτερική θερµοκρασία του θερµοκηπίου. k = Ολικός συντελεστής απωλειών θερµότητας (µε συναγωγή, αγωγή και ακτινοβολία) του τοιχώµατος του θερµοκηπίου εξαρτώµενος από το είδος του υλικού και την ταχύτητα τ ου ανέµου (Wm -2 0 C -1 ). β = λόγος της επιφάνειας του τοιχώµατος του θερµοκηπίου προς την επιφάνεια του εδάφους. Α s = επιφάνεια του εδάφους του θερµοκηπίου (m 2 ). Vol = όγκος του θερµοκηπίου (m 3 ).

4 N ρυθµός ωριαίας ανανέωσης του αέρα του θερµοκηπίου (h -1 ). Το σχήµα 1 σχηµατοποιεί τους βασικούς όρους. Από την εξίσωση (1) µπορούµε να υπολογίσουµε το Τ i : R n (1-α) Τ i = Τ ο + ( 2 ) β Κ + ρ C ρ Ν (Vol / A s ) Απώλειες µε συναγωγή Κ Προσπίπτουσα ενέργεια Αισθητή θερµότητα Εξατµισοδιαπνοή (1-α) Rn α..rn=et Rn T O T i N Σχήµα 1. Σχηµατική παράσταση ενεργειακού ισοζυγίου του θερµοκηπίου.

5 Από την σχέση (2) φαίνεται, ότι µπορούµε να µειώσουµε το Τ i ενεργώντας 1: στο R n. Μπορούµε να µειώσουµε το R n χρησιµοποιώντας κουρτίνες σκίασης. 2: στο α : αυξάνοντας το µέρος του R n που εξατµίζεται, µε διοχέτευση υδρατµού µέσα στο θερµοκήπιο (τεχνική οµίχλη, FOG-SYSTEM). 3: στο Τ ο : ψύχοντας τον εξωτερικό αέρα πριν τον διοχετεύσουµε στο θερµοκήπιο (σύστηµα δροσισµού µε ανεµιστήρες+ υγρή παρειά ). 4: στο Ν: αυξάνοντας τον ρυθµό ανανέωσης του αέρα, ( µε φυσικό ή δυναµικό αερισµό). Στη συνέχεια θα περιγραφούν τα ακόλουθα συστήµατα ψύξης- κλιµατισµού των θερµοκηπίων: Αερισµός (φυσικός, δυναµικός) ροσισµός ( σύστηµα δυναµικού αερισµού+ υγρή παρειά, σύστηµα υδρονέφωσης) Σκίαση(λεύκανση, κουρτίνες, φωτοεκλεκτικά υλικά κάλυψης ). 2. ΑΕΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ 2.1. ΦΥΣΙΚΟΣ ΑΕΡΙΣΜΟΣ Ο φυσικός αερισµός είναι από τους σηµαντικότερους παράγοντες ρύθµισης του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου. Η ροή αέρα, όπως αυτή δηµιουργείται από την διαφορά πιέσεων στα ανοίγµατα αερισµού ή λόγω φαινοµένων άνωσης, ρυθµίζει τα επίπεδα θερµοκρασίας, υγρασίας και συγκεντρώσεως CO 2 στο εσωτερικό του θερµοκηπίου. Γενικά χαρακτηρίζουµε τον αερισµό ενός θερµοκηπίου µε βάση τον ρυθµό ωριαίας ανανέωσης Ν, δηλαδή το πόσες φορές ο όγκος του θερµοκηπίου ανανεώνεται σε µια ώρα (h -1 ). Από συγκριτική άποψη είναι προτιµότερο να εκφράζεται ο αερισµός ως ροή όγκου αέρος ή µάζα αέρος που αντιστοιχεί στην επιφάνεια του ανοίγµατος ή στην επιφάνεια του θερµοκηπίου. Η µονάδα που χρησιµοποιείται θα είναι λοιπόν το m 3.m -2.s -1 ή το kg.m -2.s -1. Σ ένα θερµοκήπιο που διαθέτει ανοίγµατα οροφής και πλαϊνά (Σχήµα 2) η ροή αέρα µέσω ενός ανοίγµατος προκαλείται από τον συνδυασµό των διαφορών πίεσης

6 που δηµιουργούνται α) λόγω των δυνάµεων άνωσης που οφείλονται σε διαφορές θερµοκρασίες ( φαινόµενο καµινάδας) και β) λόγω της ταχύτητας του ανέµου. u A R h T i T o A S Σχήµα 2. Ανοίγµατα φυσικού αερισµού θερµοκηπίου Στην περίπτωση αυτή αποδεικνύεται ότι η παροχή αερισµού δίνεται από την σχέση ( Kittas et al., 1997) : Q = C d [ AA R S g h AT A A R 2 2 S 2 2 2 C W u ] 2 0.5 (3) όπου: Q = παροχή αερισµού (m 3 s -1 ). C d = συντελεστής αποφόρτισης (αδιάστατος). A R = επιφάνεια ανοιγµάτων οροφής (m 2 ). A S = επιφάνεια των πλαϊνών ανοιγµάτων σε (m 2 ). G = επιτάχυνση της βαρύτητας (ms -2 ). Τ = διαφορά µεταξύ θερµοκρασίας εσωτερικού(τ i ) και εξωτερικού(t o )

7 αέρα (Κ) h = υψοµετρική διαφορά µεταξύ των ανοιγµάτων οροφής και πλευρων (m). A Τ = συνολική επιφάνεια ανοιγµάτων (m 2 ). C w = ολικός συντελεστής ανεµοπίεσης (αδιάστατος). u = ταχύτητα του εξωτερικού ανέµου (ms -1 ). Στη περίπτωση κατά την οποία οι επιφάνειες των ανοιγµάτων οροφής και των πλαϊνών ανοιγµάτων (A R = A S ) είναι ίσες η σχέση (3) γράφεται: Q = 2 Cd [ g h Cwu 2 ] 0.5 (4) Στη σχέση αυτή ο πρώτος όρος εντός της αγκύλης αφορά τη ροή αερισµού λόγω του φαινοµένου της καµινάδας και ο δεύτερος όρος τη ροή αερισµού λόγω των δυνάµεων της ταχύτητας του ανέµου. Αποδεικνύεται ότι όταν ο λόγος u / γίνεται µεγαλύτερος του 1 το φαινόµενο της καµινάδας µπορεί να αγνοηθεί. Στη σχέση (4) ο συντελεστής C w είναι ένας ολικός συντελεστής ταχύτητας ανέµου και περικλείει τη δράση της µέσης συνιστώσας της ταχύτητας του ανέµου καθώς και τη δράση της τυρβώδους κίνησης του αέρα. Η σχέση (4) µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε λογισµικά για τον έλεγχο του µικροκλίµατος των θερµοκηπίων αλλά και για τον σχεδιασµό των ανοιγµάτων αερισµού. Χρησιµοποιώντας τη σχέση (4) και µια απλοποιηµένη σχέση του ενεργειακού ισοζυγίου προτείναµε την ακόλουθη σχέση που δίνει τα ανοίγµατα φυσικού αερισµού ενός καλά ποτισµένου θερµοκηπίου (Kittas et al.1997) : A A T g = 0.0027 RS h-0.5 Τ -1.5 (5) όπου: RS = ολική ηλιακή ακτινοβολία στο εξωτερικό του θερµοκηπίου (Wm -2 ). A g = επιφάνεια του καλυµµένου εδάφους (m 2 ). Εφαρµογή της σχέσεως (7) για h = 1 µας δίνει το ακόλουθο Σχήµα 3, (Kittas et al,

8 1997). 1.2 1000 W/m 2 1.0 0.8 750 W/m 2 0.6 500 W/m 2 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ÄT, K Ventilator opening area / ground area Σχήµα 3. Ανοίγµατα αερισµού ανά µονάδα καλυµµένου εδάφους ως συνάρτηση της διαφοράς µεταξύ θερµοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος ( Τ) για διάφορες τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας στο εξωτερικό του θερµοκηπίου ( µηδενική ταχύτητα εξωτερικού ανέµου και h =1 ). Από το Σχήµα 3 φαίνεται ότι ένας λόγος Α Τ /Α g της τάξεως του 0.25 διατηρεί ένα Τ περίπου 5 Κ για µέγιστη εξωτερική ηλιακή ακτινοβολία της τάξεως των 1000 Wm -2. Σε µεσογειακές συνθήκες, τέτοιες τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας έχουµε στα µέσα της άνοιξης. Αν λάβουµε υπόψη ότι στα γεωγραφικά πλάτη της Μεσογείου η µέγιστη εξωτερική θερµοκρασία ξεπερνά τους 25 ο C στις αρχές του δεύτερου µισού της άνοιξης, τότε µπορούµε να συµπεράνουµε ότι ανοίγµατα αερισµού της τάξης του 0.25 αρκούν µέχρι τα µέσα της άνοιξης. Πέρα από αυτή την περίοδο απαιτούνται συστήµατα δυναµικού αερισµού, σκίασης ή δροσισµού. Για h #1 και για Α R # A S τα αποτελέσµατα της σχέσης (5) πρέπει να διαιρούνται µε το διορθωτικό συντελεστή ε που δίνεται από τη παρακάτω σχέση: ε= 2.83e/(1+e)(1+e 2 ) 0.5 (6) όπου e=α S /A R

9 2.2. ΥΝΑΜΙΚΟΣ ΑΕΡΙΣΜΟΣ Από το Σχήµα 3 φαίνεται ότι όταν το ποσοστό ανοιγµάτων φυσικού αερισµού ξεπερνά το 30% η επίδραση του αερισµού στο Τ καθίσταται αµελητέα. Με τον δυναµικό αερισµό είναι δυνατό να πετύχουµε ρυθµούς ανανέωσης του αέρα µεγαλύτερους των 40 h -1 κάτι που δεν επιτυγχάνεται µε τα συστήµατα φυσικού αερισµού. Προς τούτο γίνεται χρήση ανεµιστήρων που τοποθετούνται στο τοίχωµα του θερµοκηπίου. Οι ανεµιστήρες αναρροφούν αέρα και εξάγουν τον εσωτερικό αέρα ο οποίος αναπληρώνεται µε εξωτερικό αέρα που εισέρχεται από ανοίγµατα που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά. Για τον υπολογισµό ένος συστήµατος δυναµικού αερισµού θα πρέπει να ακολουθούνται τα ακόλουθα βήµατα. 2.2.1.Υπολογισµός της απαιτούµενης παρόχης αερισµού Υπολογίζεται από την σχέση (Kittas, 1987): Ν = 087. t( 1 067. t) RS max (7) όπου: Ν = απαιτούµενος ρυθµός ανανέωσης αέρα (h -1 ). RS max = µέγιστη εξωτερική ηλιακή ακτινοβολία (12.00 ηλιακή ώρα σε συνθήκες καθαρού ουρανού), (Wm -2 ) t = συντελεστής διαπερατότητας του υλικού κάλυψης (αδιάστατος). Εφαρµόζοντας το µοντέλο του Hottel (1976) για τον υπολογισµό του RS max για διάφορες περιοχές της Ελλάδος και βάζοντας τα αποτελέσµατα στη σχέση (8) πήραµε τον παρακάτω Πίνακα 1. Πίνακας 1. Ανάγκες αερισµού για την Ιεράπετρα και την Θεσσαλονίκη ΙΕΡΑΠΕΤΡΑ t=0.55 1 t=0.7

10 Τ = 2.5 Κ Τ = 5 Κ Τ = 2.5 Κ Τ = 5 Κ 15 Ιανουαρίου 60 30 65 35 15 Μαρτίου 90 45 95 50 15 Μαίου 110 55 120 60 15 Ιουλίου 110 55 120 60 15 Σεπτεµβρίου 95 45 100 50 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 15 Ιανουαρίου 45 20 50 25 15 Μαρτίου 80 40 85 45 15 Μαίου 105 50 115 55 15 Ιουλίου 105 50 115 55 15 Σεπτεµβρίου 85 45 95 50 Από τον πίνακα 1 φαίνεται ότι ένας ρυθµός ανανέωσης της τάξης των 50-60 h -1 είναι αρκετός για να κρατήσει ένα Τ = 5 Κ για όλη την χώρα. 2.2.2.Απαιτούµενη επιφάνεια ανοιγµάτων Απαιτούνται 0.05 m 2 ανοιγµάτων αερισµού για κάθε 10m 3 min -1 παροχής αερισµού. Θα πρέπει να τοποθετείται ένα άνοιγµα για κάθε ανεµιστήρα. 2.2.3.Απαιτούµενη ισχύς ανεµιστήρων Υπολογίζεται από την σχέση: P = Q α P/(3600n) (8) όπου: P = ισχύς των ανεµιστήρων (W) Q α = παροχή των ανεµιστήρων σε m 3 h -1 (=παροχή αερισµού Ν σε h -1 επί τον όγκο του θερµοκηπίου) P a = στατική πίεση σε Pascal (20-50 Pa). η = συντελεστής απόδοσης των ανεµιστήρων (~ 0.7 ) Σηµειώνεται ότι για µήκος θερµοκηπίου µέχρι 40m οι ανεµιστήρες (και τα ανοίγµατα) τοποθετούνται στην µικρή πλευρά. Για µήκος µεγαλύτερο των 40m οι

11 ανεµιστήρες (και τα ανοίγµατα) τοποθετούνται στην µεγάλη πλευρά και σε απόσταση µεταξύ τους περίπου 7.5m. 3. ΡΟΣΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΗΠΩΝ Όπως είδαµε στην εισαγωγή, και άλλες µέθοδοι εκτός του φυσικού ή δυναµικού αερισµού επιτρέπουν την µείωση της θερµοκρασίας του αέρος του θερµοκηπίου: 1) Ψύξη του εξωτερικού αέρος πριν την είσοδο του στο θερµοκήπιο. Είναι η περίπτωση του συστήµατος δυναµικού αερισµού µε υγρή παρειά ( COOLING SYSTEM). 2) Μετατροπή σε λανθάνουσα θερµότητα της ενέργειας ακτινοβολίας µέσα στο θερµοκήπιο, ώστε να µειωθεί το φορτίο αισθητής θερµότητας. Ο όρος λανθάνουσα θερµότητα αντιπροσωπεύεται από το α.r n στην εξισωση (1): πρέπει λοιπόν να αυξηθεί το α. Πρόκειται για το σύστηµα υδρονέφωσης µε χαµήλη πίεση και υδρονέφωση µε υψήλη πίεση ( FOG-SYSTEM). 3.1.ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΝΑΜΙΚΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΜΕ ΥΓΡΗ ΠΑΡΕΙΑ (COOLING SYSTEM) Η αρχή αυτού του συστήµατος βασίζεται κυρίως στη ψύξη λόγω κορεσµού σε υγρασία του εξωτερικού αέρος που εισέρχεται στο θερµοκήπιο. Αυτό πραγµατοποιείται µε την διέλευση, µε µικρή ταχύτητα, του αέρα από µιά υγρή παρειά (PAD). Το σχήµα 4 παρουσιάζει την αρχή ψύξης πάνω στο διάγραµµα MOLLIER:

12 Α Τ e Τ ο Σχήµα 4. ιάγραµµα υγρού αέρα. Περίπτωση COOLING - SYSTEM Ο εξωτερικός αέρας σε ξηρή θερµοκρασία Τ ο θα ψυχθεί αδιαβατικά µέχρι το σηµείο Α ( σε ξηρή θερµοκρασία Τ e ) που είναι πολύ κοντά στον κορεσµό. Η απόδοση του συστήµατος καθορίζεται από τη σχέση: Ε = ( Τ ο - Τ e ) / (Τ ο - Τ c ) (9) όπου: Ε = Συντελεστής απόδοσης του PAD(αδιάστατος). Τ e = Θερµοκρασία εξόδου από το PAD ( ο C). Τ c = Υγρή θερµοκρασία του εξωτερικού αέρα ( o C). Ο συντελεστής απόδοσης Ε πλησιάζει το 80 µε 90% για την πλειονότητα των συστηµάτων που υπάρχουν στο εµπόριο. Το σύστηµα είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατικό σε ξηροθερµικά κλίµατα αφού καθοριστικός παράγοντας για την απόδοση του είναι η υγρασία του εξωτερικού αέρα. Ο συνηθέστερος τύπος COOLING SYSTEM είναι το σύστηµα µε υποπίεση (σχήµα 5).

13 ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΓΡΗΣ ΠΑΡΕΙΑΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ ΕΞΟ ΟΥ Σχήµα 5 COOLING SYSTEM µε υποπίεση Για την αποτελεσµατικότητα του συστήµατος απαιτείται θερµοκήπιο ιδιαίτερα στεγανό, αλλιώς η αποτελεσµατικότητα του COOLING µειώνεται σηµαντικά από την είσοδο αέρος που δεν έχει ψυχθεί. Το υλικό από το οποίο αποτελείται η παρειά είναι συνήθως από ειδικά φύλλα άσηπτης κυψελικής κυτταρίνης. Στο επάνω µέρος των PAD, υπάρχουν σωληνώσεις ύγρανσης µε µια υδρορροή διανοµής. Στο κάτω µέρος, µια υδρορροή επανακτήσεως παίρνει το νερό που δεν έχει εξατµιστεί και το ανακυκλώνει µε την βοήθεια µιας εµβαπτιζόµενης αντλίας. 3.2. Υ ΡΟΝΕΦΩΣΗ Η αρχή της ψύξης µε την τεχνική της υδρονέφωσης βασίζεται στη µετατροπή της προσπίπτουσας ενέργειας ακτινοβολίας σε λανθάνουσα θερµότητα µε εξάτµιση των σταγονιδίων νερού που ψεκάζονται από τις συσκευές υδρονέφωσης χαµηλής και υψηλής πίεσης FOG SYSTEM. Προκειµένου για υδρονέφωση χαµηλής πίεσης τα σταγονίδια νερού είναι µεγέθους µεγαλύτερου των 200µm, τα οποία και πέφτουν κατά ένα µέρος στο έδαφος και στα φυτά, απ όπου εξατµίζονται ανάλογα µε την θερµοκρασία αυτών των επιφανειών και µε τις συνθήκες του περιβάλλοντος.

14 Προκειµένου όµως γιά το FOG - SYSTEM ή υδρονέφωση υψηλής πίεσης, τα σταγονίδια του νερού είναι της τάξης µερικών δεκάδων µm και παραµένουν αιωρούµενα µέχρι την πλήρη εξάτµιση. Στην περίπτωση εφαρµογής του συστήµατος της υδρονέφωσης έχουµε συµφέρον να εναλλάσσουµε τις περιόδους παραγωγής τεχνητής οµίχλης µε περιόδους αερισµού, ή ακόµα να ανοίγουµε ελαφρά το θερµοκήπιο κατά την παραγωγή τεχνητής οµίχλης έτσι ώστε µέρος της πλεονάζουσας ενθαλπίας να αποµακρύνεται (τόσο περισσότερο, όσο ο αέρας θα είναι κοντά στον κορεσµό). Αυτή η διαχείριση απαιτεί προσοχή, γιατί αν ανοίξουµε πολύ το θερµοκήπιο, τα σταγονίδια νερού µπορεί να βγουν κατευθείαν στο εξωτερικό περιβάλλον χωρίς προηγουµένως να έχουν ψύξει το θερµοκήπιο. Πρέπει λοιπόν να βρεθεί το καλύτερο άνοιγµα που να ταιριάζει µε τη χρήση αυτών των συστηµάτων. Στην περίπτωση του συστήµατος υδρονέφωσης µε χαµηλή πίεση χρησιµοποιούνται κλασσικοί εκτοξευτές ( SPRINKLERS) ή µικροεκτοξευτές ( ΜΙΝΙ - SPRINKLERS). Εξ αιτίας του µεγέθους των σταγόνων (~200µm) η ποσότητα του εξατµιζόµενου νερού στον αέρα είναι σχετικά µικρή ( 20% µε 30% κατά του Timmons and Baughman, 1983). Στην περίπτωση υδρονέφωσης υψηλής πίεσης ( FOG - SYSTEM.) το υλικό που χρησιµοποιείται για την παραγωγή οµίχλης αποτελούµενης από πολύ ψιλά σταγονίδια τα οποία στην συνεχεία παραµένουν αιωρούµενα στον αέρα, είναι δύο ειδών: Είτε σωλήνες διανοµής, όπου στέλνεται το νερό υπό µεγάλη πίεση (30 ως 40 BAR). Είτε δίσκοι, όπου περιστρεφόµενα πτερύγια κινούνται µε µεγάλη ταχυτήτα διανέµοντας το νερό που πέφτει στο δίσκο. Αυτά τα µικρά σταγονίδια εξατµίζονται στον αέρα κατά µεγάλο µέρος, βρέχοντας ελάχιστα τα όργανα (άνθη,καρποί,φύλλα) αποφεύγοντας έτσι τα προβλήµατα που δηµιουργούνται από την χρήση ψεκασµού µε χαµηλή πίεση (στίγµατα στα φύλλα, καψίµατα από το φαινόµενο του φακού από τα σταγονίδια, µηχανικές βλάβες στα ευαίσθητα όργανα κ.λ.π). Οι επιδόσεις αυτών των συστηµάτων είναι γενικά πολύ ικανοποιητικές, υπό τον όρο ότι γίνεται ταυτόχρονα καλή διαχείριση του αερισµού και υπό την προϋπόθεση της ύπαρξης πολύ καλής ποιότητας νερού και της χρήσης συστηµάτων απιονισµού του νερού για την αποφυγή της απόφραξης των µικροεκτοξεύτηρων.

15 4. Η ΣΚΙΑΣΗ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΉΠΙΩΝ Η τρίτη δυνατότητα ψύξης ενός θερµοκηπίου είναι η µείωση του ποσοστού ενέργειας ακτινοβολίας που εισέρχεται στο θερµοκήπιο. Στην εξίσωση (1) πρόκειται για τον όρο R n που αντιπροσωπεύει την καθαρή ακτινοβολία µέσα στο θερµοκήπιο που είναι κατά την διάρκεια της ηµέρας η συνισταµένη: 1) Της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται µέσα στο θερµοκήπιο. 2) Της µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολίας στο επίπεδο του εδάφους και των φυτών του θερµοκηπίου που είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας και του συντελέστη εκποµπής των τοιχωµάτων (στέγη, κάθετα τοιχώµατα). 3) Της µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολίας στο επίπεδο του εδάφους και των φυτών του θερµοκηπίου που είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας και του συντελεστή εκποµπής του εδάφους και των φυτών. Οι δυο πρώτοι όροι είναι θετικοί και προστίθενται, ενώ ο τρίτος αφαιρείται από τους δυο πρώτους. Παρατηρούµε λοιπόν, ότι, για να µειωθεί το R n στο θερµοκήπιο, πρέπει να επέµβουµε: Eίτε στη διαπερατότητα του θερµοκηπίου, κάτι που γίνεται µε λεύκανση ή µε τοποθέτηση σκιάστρων. Eίτε στη θερµοκρασία του τοιχώµατος κάτι που γίνεται µε ψεκασµό στη στέγη, ή µε κυκλοφορία νερού στη στέγη. Eίτε και στα δυο µαζί. Είναι η αρχή του ηλιακού θερµοκηπίου µε γυαλί που φιλτράρει, και µε κυκλοφορία νερού στη στέγη (Chiapale et al, 1983). 4.1. ΙΑΦΟΡΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΚΙΑΣΗΣ ιακρίνουµε δύο κύριους τύπους σκιάσεως: Tη διαρκή σκίαση. Γίνεται µε λεύκανση των τοιχωµάτων ή µε σκίαστρο σε σταθερή θέση (σκίαστρο τοποθετηµένο στο εξωτερικό ή στο εσωτερικό του θερµοκηπίου).

16 Την προσωρινή σκίαση. Γίνεται µε ένα ύφασµα-κουρτίνα το οποίο ξεδιπλώνεται είτε µε το χέρι είτε αυτόµατα, όταν η ηλιακή ακτινοβολία και η θερµοκρασία είναι πολύ υψηλές. 4.1.1. Λεύκανση Χάρη στο χαµηλό κόστος της, είναι µια πρακτική που χρησιµοποιείται αρκετά συχνά, κυρίως σε περιπτώσεις θερµοκηπίων για άνθη ή καλλωπιστικά φυτά. Τα τοιχώµατα είναι περασµένα µε ένα αρκετά παχύ στρώµα προϊόντος που έχει βάση τον ασβέστη και την κιµωλία. Κύριο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου σκίασης αποτελεί το γεγονός ότι δεν είναι εκλεκτικό στην ηλιακή ακτινοβολία. Παρουσιάζει την ίδια διαπερατότητα σε όλο το ηλιακό φάσµα και απορροφά την ίδια ακτινοβολία τόσο στο φωτοσυνθετικά ενεργό τµήµα PAR (400-700 nm) όσο και στο υπόλοιπο φάσµα. Μερικά προϊόντα απορροφούν µάλιστα περισσότερη ακτινοβολία στο PAR παρά στο υπόλοιπο του φάσµατος. Οι οπτικές ιδιότητες της λεύκανσης εξαρτώνται από τα συστατικά του µίγµατος και του χρησιµοποιούµενου συγκολλητικού. Ο καλλιεργητής θερµοκηπίων συχνά δεν έχει σαφή ιδέα της µείωσης του φωτός στο θερµοκήπιο. Εξάλλου, η τοποθέτηση του επιχρίσµατος στα τοιχώµατα δεν είναι ποτέ οµαλή και παρατηρούµε µια µεγάλη ετερογένεια στο χώρο, και κατά συνέπεια και στη διέλευση της ακτινοβολίας. Μια άλλη ιδιότητα των προϊόντων αυτών, αρκετά ευνοϊκή σε αγρονοµικό επίπεδο, είναι ότι η διαπερατότητα είναι µεγαλύτερη όταν το προϊόν είναι υγρό παρά όταν είναι ξηρό. Η διαπερατότητα είναι λοιπόν ελαφρώς βελτιωµένη σε συνθήκες ακτινοβολίας µη ευνοϊκές (βροχή ή πολύ υγρός καιρός, συννεφιά), κάτι που αποτελεί θετικό στοιχείο. ηµιουργήθηκαν και άλλα µίγµατα που περιέχουν υγροσκοπικά άλατα και τα οποία παρουσιάζουν το πλεονέκτηµα να δηµιουργούν µια σκίαση που είναι συναρτήσει της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται (π.χ. Varishade). Στον Πίνακα 2 δίνονται οι τιµές διαπερατότητας του PAR για διάφορους τύπους λεύκανσης, καθώς και η αύξηση της διαπερατότητας όταν τα προϊόντα αυτά είναι υγρά (Grafiadellis and Kyritsis,1987).

17 Πίνακας 2. ιαπερατότητα της φωτοσυνθετικά ενεργού ακτινοβολίας (PAR, 400-700 nm) διάφορων υλικών λεύκανσης σε PE µεγαλής διάρκειας ( Από Grafiadellis and Kyritsis, 1987). Τύπος λεύκανσης Συγκέντρωση (gm -2 ) ιαπερατότητα (%) ιαπερατότητα σε υγρή κατάσταση (%) Varishade 27.00 52.7 69.7 Varishade 13.50 62.7 65.5 Aσβέστης 13.50 50.5 40.9 Ασβέστης 6.75 62.0 45.7 Nixol 27.00 64.1 28.9 4.1.2. Σκίαστρα Την τελευταία δεκαετία εµφανίστηκε στο εµπόριο µεγάλος αριθµός υφασµάτων (από ακρυλικό, πολυπροπυλένιο, πολυεστέρα, πολυαµίδιο...) που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως σκίαστρα. ιαθέτουµε λοιπόν µεγάλη ποικιλία αεροπερατότητας και διαπερατότητας στην ηλιακή ακτινοβολία. Ο παρακάτω πίνακας 4 δίνει παραδείγµατα οπτικών χαρακτηριστικών στο ορατό φάσµα, για διάφορους τύπους σκιάστρων. Σήµερα υπάρχουν σκίαστρα µε λεπτό στρώµα αλουµινίου, που ανακλούν µεγάλο µέρος της ακτινοβολίας στο εξωτερικό περιβάλλον και τα οποία µπορούν ακόµα να χρησιµοποιηθούν ως θερµοµονωτικές κουρτίνες για την µείωση της κατανάλωσης καυσίµων γιά θέρµανση τον χειµώνα. Πιο δαπανηρά, έχουν σηµαντικές επιδόσεις τόσο στο επίπεδο της σκιάσης όσο και στο επίπεδο της θερµικής µόνωσης. Τελευταία, έχουν εµφανιστεί στο εµπόριο φωτοεκλεκτικά σκίαστρα που χρησιµοποιούνται ως υλικά κάλυψης των θερµοκηπίων. Τα υλικά αυτά έχουν διαφορετική διαπερατότητα στην ηλιακή ακτινοβολία ανάλογα µε το µήκος κύµατος, µε στόχο να επηρεάζονται διάφορες παράµετροι που έχουν σχέση µε την ανάπτυξη και τη φωτοσύνθεση των φυτών ανάλογα µε τις απαιτήσεις των διαφόρων καλλιεργειών. Οι οπτικές ιδιότητες ενός τέτοιου υλικού φαίνονται στο Σχήµα 6

18 (Kittas and Baille, 1998). Το υλικο αυτό χρησιµοποιείται κυρίως από καλλιεργητές τριαντάφυλλου για αποφυγή του µαυρίσµατος των πετάλων... % 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 ιαπερατότητα Αντανάκλαση Αποροφητικότητα 380 480 580 680 780 880 980 1080 Μήκος κύµατος, nm Σχήµα 6. Οπτικές ιδιότητες ενός φωτοεκλεκτικού σκιάστρου. 4.2. ΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΞΕ ΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΚΟΥΡΤΙΝΩΝ Εκτός από την αγορά του υφάσµατος σκίασης ο καλλιεργητής πρέπει να εφοδιαστεί µε ένα µηχανικό σύστηµα ξεδιπλώµατος των κουρτινών µε τροχαλίες. Στα πιο τελειοποιηµένα συστήµατα, η κουρτίνα τοποθετείται αυτοµάτως µόλις το επίπεδο εξωτερικής ακτινοβολίας φτάνει µια δεδοµένη τιµή ( π.χ 500 Wm -2 ). Το σήµα δίνεται από ένα αισθητήρα ακτινοβολίας (πυρανόµετρο), που βρίσκεται στο εξωτερικό του θερµοκηπίου (προτιµάται η τοποθέτηση του αισθητήρα στο εξωτερικό για να αποφεύγονται προβλήµατα που σχετίζονται µε εµπόδια µέσα στο θερµοκήπιο, τα οποία κινδυνεύουν να διαταράξουν το σήµα και κατά συνέπεια την λειτουργία του συστήµατος). 4.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΚΙΑΣΗΣ 4.3.1 Λεύκανση

19 Η λεύκανση των τοιχωµάτων, προστιθέµενη στο φυσικό αερισµό επιτρέπει γενικά να πετύχουµε θερµοκρασίες εσωτερικού αέρος, οι οποίες να πλησιάζουν την εξωτερική θερµοκρασία. Το σύστηµα αυτό επιτρέπει, κατά συνέπεια, τη διατήρηση αποδεκτών θερµοκρασιών στο εσωτερικό του θερµοκηπίου η σταθερή,όµως, µείωση της ακτινοβολίας που εισέρχεται στο θερµοκήπιο µπορεί να επηρεάσει την φωτοσύνθεση και την ανάπτυξη της καλλιέργειας κυρίως το πρωί και το βράδυ και ειδικότερα σε περίοδο συννεφιάς (σχήµα 7). Τ RG 50 40 30 Θερµοκήπιο µε ύφασµα Θερµοκήπιο ασπρισµένο 20 ΗΜΕΡΕΣ 5 15 25 ΙΟΥΛΙΟΣ 1985 Σχήµα 7. ιαπερατότητα στην ηλιακή ακτινοβολία κατά την διάρκεια του Ιουλίου 1985. 4.3.2 Σκίαστρα Γενικά µπορούµε να χωρίσουµε τα σκίαστρα σε δυο κατηγορίες: α. Μη ανακλαστικά σκίαστρα.

20 Το παρακάτω σχήµα 8 δίνει ένα παράδειγµα δύο παρακείµενων θερµοκηπίων ενός ασπρισµένου και ένος εφοδιασµένου µε ύφασµα σκίασης NOTEX ( 50% σκίαση ) στο οποίο υπάρχουν ανοίγµατα µεταξύ των µερών του υφάσµατος ώστε να µπορεί να φεύγει ο αέρας. 30 Τ ο C 28 26 24 Θερµοκήπιο µε ύφασµα 22 Θερµοκήπιο ασπρισµένο 20 18 Εξωτερικό περιβάλλον ΗΜΕΡΕΣ 5 15 25 ΙΟΥΛΙΟΣ 1985 Σχήµα 8. Εξέλιξη των ηµερήσιων θερµοκρασιών σ ένα θερµοκήπιο ασπρισµένο και σ ένα µε σκίαστρο από ύφασµα. Παρατηρούµε ότι οι θερµοκρασίες στα δύο θερµοκήπια είναι παραπλήσιες. Οι θερµοκρασίες είναι ελαφρά υψηλότερες ( 2 ως 3 0 C) από την εξωτερική θερµοκρασία, µε ένα µικρό πλεονέκτηµα του θερµοκηπίου που έχει λευκανθεί. β. Ανακλαστικά σκίαστρα

21 Μετρήσεις που έγιναν σε θερµοκήπια µε καλλωπιστικά φυτά που είχαν σκίαστρα µε επιµεταλλωµένο πολυεστέρα ( σκίαστρα LUDWIG, SVENSON, LS15 και LS16 µε διαπερατότητες 50% και 40% αντίστοιχα) έδωσαν το παρακάτω σχήµατα 9,10. 0.9 ΙΟΥΛΙΟΣ 1986 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 4 8 12 16 20 24 32 36 40 44 48 Σχήµα 9. Συντελεστής διαπερατότητας στην ηλιακή ακτινοβολία σε θερµοκήπιο µε επιµεταλλωµένο σκίαστρο ( Baille, 1988).

22 8 6 Τ O C Τ (Κουρτίνα LS16) RG ο W.m -2 4 Τ Θερµοκήπιο ασπρισµένο 1000 800 2 600 400 0 RGO 200 6 10 8 12 14 16 18 20 ΩΡΕΣ Σχήµα 10. Ηµερήσια πορεία της διαφοράς µεταξύ της θερµοκρασίας του εσωτερικού και του εξωτερικού αέρα. Παρατηρούµε ότι η διαφορά είναι περίπου 3-4 0 C για το σκίαστρο, και µπορεί να φτάσει τους 7-8 0 C µε ασθενή άνεµο. Αυτές οι σηµαντικές διαφορές οφείλονται στο ότι το σκίαστρο εµποδίζει τις ανταλαγές αέρα και µειώνει σηµαντικά τον αερισµό του θερµοκηπίου. Πρέπει λοιπόν, ακόµη και στην περίπτωση σκιάστρων µε λωρίδες αλουµινίου να φροντίζουµε για την εξασφάλιση επαρκούς αερισµού κάτω από το σκίαστρο. Η αεροπερατότητα των επιµεταλλωµένων σκίαστρων δεν είναι επαρκής για τον σωστό αερισµό του θερµοκηπίου. Συνιστάται λοιπόν να αφήνονται κενά ανάµεσα στα διαφορετικά µέρη του σκιάστρου που να επιτρέπουν την αποµάκρυνση του θερµού αέρα. Συµπερασµατικά, µπορούµε να πούµε ότι λεύκανση και κινητά σκίαστρα έχουν το καθένα τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατά τους και έτσι η επιλογή του ενός ή του άλλου συστήµατος εξαρτάται από την οικονοµική δυνατότητα του καλλιεργητή. Η επιλογή ενός κινητού σκιάστρου, υπό τον όρο να γίνεται καλή διαχείρηση του ξεδιπλώµατος, παρουσιάζει το πλεονέκτηµα της αποµάκρυνσης του σε συνθήκες ασθενούς ακτινοβολίας κάτι σηµαντικό για την φωτοσύνθεση.

23 6.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. 1. Baille A., 1988. Greenhouse microclimate and its management in mild winter climates. Symposium ISHS on Protected ornemental cultivation in Mild Winter Climate. Tenerife Oct. 1988. 2. Baille A., 1995. Serres plastiques, climat et production. PHM-Revue Horticole, 357 : 15-19 3. Chiapale J.P., van Bavel C.H.M., Sadler E.J., 1983. Comparison of calculated and measured performance of a fluid roof and a standard greenhouse. Energy in Agriculture, 2 : 75-89. 4. Grafiadellis M., Kyritsis S., 1978. New developments in shading plastic greenhouses. Acta Horticulture,76: 365-368. 5. Hottel H.C., 1976. A simple model for estimating the transmittance of direct solar radiation. Solar Energy,18, 129. 6. Kittas C., Boulard T., Papadakis G., 1997. Natural Ventilation of a Grennhouse with Ridge and Side Openings ; Sensitivity to Temperature and Wind Effects. Transactions of the A.S.A.E., 40(2) :415-425. 7. Kittas C. and Baille A., 1998. Determination of the spectral properties of several greenhouse cover materials and evaluation of specific parameters related to plant response. Journal of Agriculture Engineering Research, 71:193-202. 8. Timmons M.B., Baughman F., 1983. Experimental evaluation of poultry mist - fog systems. Transactions of the A.S.A.E., 26: 207-210.